Lokalne elektrociepłownie na biomasę – z silnikami Stirlinga
Ta wierzba to... nie lipa!
Włodzimierz Kotowski
„Energia – Gigawat” – listopad 2001 r.
Pod nadzorem pilnych wymogów ochrony środowiska, kraje Unii Europejskiej podjęły uchwałę
o zwiększeniu udziału odnawialnych nośników energii do 12% całości jej zużycia na przestrzeni
lat 2000-2010. Obok energii słońca i wiatru, przede wszystkim biomasie poświęca się obecnie
najwięcej środków na działania badawczo - wdrożeniowe.
Obok utylizacji istniejących, niewykorzystanych zasobów drewna, słomy, trocin, kory itp. sporo
środków przeznacza się na uprawę nowych roślin, wśród których w naszych warunkach glebowo-
klimatycznych najwyższe plony osiąga się z uprawy wierzby norweskiej. Jej plantacje w
okręgach lubuskim oraz pomorskim owocują zbiorami 30 ton/rok z hektara suchej masy drewna.
Przy zbiorach w trzyletnich cyklach zyskuje się gałęzie o średnicy 5-8 cm i wysokości 6-7
metrów. Drewno to nadaje się również do produkcji papieru, a jego kaloryczność wynosi 17,5
MJ/kg suchej masy. O atrakcyjności uprawy wierzby norweskiej w naszych warunkach dowodzi
jej 14-krotny, roczny przyrost masy drzewnej w porównaniu z typowym lasem o tej samej
powierzchni. Koszta własne uprawy sięgają obecnie zaledwie 190 zł/tonę. Okres uprawy
plantacji wynosi aż 24 lata. Jej uprawa jest szczególnie atrakcyjna na terenach powodziowych tj.
wzdłuż tych odcinków rzek, które najczęściej wylewają. Zysk z hektara uprawy wierzby
norweskiej na tych terenach jest prawie dwukrotnie wyższy od innych, typowych upraw rolnych.
W tym kontekście dorzecze Bugu może stać się doskonałym terenem uprawy wierzby norweskiej
i jednocześnie trwale poprawić warunki bytowe tamtejszej ludności.
Obecnie stosowane technologie spalania uwzględniają równoczesne stosowanie różnorakich,
odnawialnych nośników energii. Opłacalność tego typu elektrociepłowni jest bowiem tylko
wówczas, gdy wyeliminuje się przerwy w dostawie paliwa. Te uwarunkowania uwzględnia
technologia firmy BABCOCK BORSIG POWER w Oberhausen, RFN. Konstrukcja pieca została
tak dobrana, że możliwe jest spalanie różnorakich odpadów z odnawialnych nośników energii,
jak i drewna ze specjalistycznych plantacji (np. wierzby norweskiej). Można je nawet mieszać z
odpadami z hodowli zwierząt (np. z ferm kurzych) i przemysłu spożywczego. W/w firma z
wymienionymi nośnikami energii oferuje elektrociepłownie o globalnej mocy do 20 MW (rys. 1,
2).
Istotą technologii BABCOCK BORSIG POWER jest spalanie biomasy w stacjonarnej fazie
fluidalnej. Tylko w takim systemie procesowym można efektywnie i równocześnie spalać
szeroką paletę nośników energii, co zapewnia wysoka turbulencja przetwarzanych materiałów.
Energię elektryczną uzyskuje się poprzez konwencjonalne turbiny parowe, sprzężone z
elektrogeneratorami. Upust pary z turbiny zapewnia dowolną temperaturę wody w kolektorach
miejskiej sieci grzewczej. Popioły lotne usuwa się na filtrach tkaninowych. Są one cennym
nawozem uprawianej biomasy. Temperatura 850-900 st. C w piecu fluidalnym minimalizuje
emisję tlenków azotu, a ewent. siarkę spalanych materiałów wiąże się dodawanym do strefy
paleniskowej pyłem węglanu wapnia z kamieniołomów.
Podstawowe parametry elektrociepłowni, tj. ciśnienie i temperatura pary przed turbiną są tak
dobrane, aby koszta ciepła kształtowały się w granicach 26-28 zł/GJ, a energii elektrycznej 19-21
gr/kWh (dane przeliczono z DEM wg kursu 1 DEM = 1,96 zł).Stopień sprawności
elektrociepłowni przewyższa 30%. Firma BABCOCK BORSIG POWER wybudowała od 1980
roku ponad 30 elektrociepłowni zasilanych biomasą, z których referencyjne ujmuje niniejsza
tabela:
Wykaz referencyjnych elektrociepłowni z fluidalnymi kotłami na biomasę:
Instalacje referencyjne Rodzaj paliwa Produkcja pary Rok uruchomienia Wasserverband -
Gratkorn Gratkorn / AustriaKora i szlamy z oczyszczalni ścieków25 t/h1982Papierfabrik
Frantschach Frantschach / AustriaDrewno odpadowe, kora, szlamy własne i węgiel brunatny70
t/h1984Papierfabrik „Haindl” Schongau / RFNDrewno odpadowe, kora, odpady własne42
t/h1986Holzverarbeitung Funder St. Veit / AustriaDrewno odpadowe, kora, odpady39
t/h1990Holzverarbeitung Egger K1a Brilon / RFNDrewno odpadowe, kora, pył szlifierski100
t/h1991Papierfabrik „Haindl” Schwedt / RFNDrewno odpadowe, kora, odpady własne44
t/h1993Holzverarbeitung Egger K1a Brilon / RFNDrewno odpadowe, kora, pył szlifierski100
t/h1997Kraftwerk SICET Ospitale di Cadore / WłochyDrewno odpadowe, kora80
t/h1999Kraftwerk Westfield Fife / SzkocjaOdpady z ferm kurzych, trociny47 t/h2000
Aby elektrociepłowni przetwarzającej biomasę zapewnić opłacalność, niezbędne są instalacje
referencyjne, zapewniające przede wszystkim wysoki poziom niezawodności ruchu oraz
wskaźnik sprawności powyżej 30%. Jest oczywiste, że inwestor winien wizytować instalacje
referencyjne u różnych dostawców licencji.
Obok firmy BABCOCK BORSIG POWER na uwagę zasługują elektrociepłownie opalane
biomasą wg know-how koncernu SIEMENS AG.
W holenderskiej miejscowości Cuijk znajduje się od 1999 roku w eksploatacji największa w
Europie elektrociepłownia opalana biomasą o mocy 25 MW. Zaopatruje ona w energię 65 000
gospodarstw domowych. W niej spala się różnorakie drewno w postaci rozdrobnionej: odpadowe,
pochodzące z przecinki lasów oraz ze specjalnych plantacji energetycznych na gruntach o niskiej
wartości rolniczej (wierzbę norweską).
Tę elektrociepłownię zbudowano w ciągu 21 miesięcy kosztem 80 mln DEM. Tu również stosuje
się spalanie w stacjonarnej fazie fluidalnej w kotłach fińskiej firmy KVAERNER PULPING OY.
W sumie spala się w tej elektrociepłowni 150 000 t drewna rocznie różnorakiego pochodzenia.
Elektrociepłownia dysponuje dwoma pojemnikami na rozdrobnione paliwo, każdy o pojemności
9 000 m sześc. (rys. 3), które stanowią trzydniowy zapas. Instalacja pracuje 7500 godz./rok,
osiąga sprawność powyżej 30% i jest wysoce rentowna. Jako referencyjna, stała się bazą ostatnio
zawartego kontraktu z włoską firmą IDRO COMPANY S.r.L. na budowę identycznej
elektrociepłowni w Cisterna di Latina w pobliżu Rzymu - o mocy 10 MW z przerobem 90 000
ton/rok różnorakich gatunków drewna odpadowego oraz z plantacji.
Elektrociepłownie
z silnikami Stirlinga
Małe, lokalne elektrociepłownie stają się opłacalne, jeśli pomiędzy paleniskiem, a kotłem wody
gorącej dla kolektorów centralnego ogrzewania gminy lub dzielnicy miejskiej, zainstaluje się
silnik Stirlinga, sprzężony z elektrogeneratorem.
Zasadniczą wadą każdego silnika tłokowego o spalaniu wewnętrznym jest konieczność usuwania
rozprężonych spalin z przestrzeni roboczej cylindra i napełniania jej ponownie świeżym
ładunkiem podczas każdego przebiegu pracy. Silniki tego rodzaju wymagają rozrządu,
zapewniającego zadowalającą wymianę ładunku cylindrów, co stwarza poważne trudności
konstrukcyjno-technologiczne i znacznie zwiększa liczbę elementów podlegających dużym
obciążeniom cieplnym i mechanicznym, a ponadto intensywnemu zużyciu.
Wspomnianych i innych niedogodności spalania wewnątrz przestrzeni roboczej cylindra silnika
tłokowego uniknąć można, jeżeli wypełnia ją niezmienna ilość czynnika roboczego, np.
powietrza (ale jeszcze lepiej wodoru lub helu), która podczas powtarzających się cyklów
roboczych, najpierw ulega sprężaniu, następnie nagrzewa się dzięki doprowadzaniu ciepła z
zewnątrz i potem rozpręża się wykonując pracę użyteczną - podobnie jak spaliny w cylindrze.
Ciepło doprowadzane do czynnika roboczego uzyskuje się zwykle dzięki spalaniu paliwa i
dlatego silniki tego rodzaju są określane jako silniki tłokowe o spalaniu zewnętrznym lub krócej -
silniki zewnętrznego spalania.
Swoistości silników zewnętrznego spalania: Do nagrzewania silnika roboczego może być
wykorzystywane nie tylko ciepło spalania praktycznie wszelkich rodzajów paliwa gazowego,
ciekłego lub stałego, lecz również ciepło uzyskiwane z dowolnych innych źródeł. Co więcej,
potrzebne ciepło może być wytwarzane nieprzerwanie i najprostszymi metodami - np. przez
ciągłe spalanie paliwa gazowego lub ciekłego w przestrzeni, w której panuje ciśnienie zbliżone
do barometrycznego.
Silniki zewnętrznego spalania w porównaniu z podobnego przeznaczenia silnikami tłokowymi o
spalaniu wewnętrznym odznaczają się licznymi istotnymi zaletami, jak:
-
łatwość zapewniania całkowitego spalania paliwa, a tym samym ograniczania do
minimum zawartości skażających środowisko składników w spalinach, a te, które są - są
praktycznie nietoksyczne,
- minimalna
hałaśliwość pracy (praca często praktycznie bezgłośna),
- niezawodność uruchamiania; zwykle rozruch ogranicza się do wzniecenia płomienia w
mieszance palnej, powstającej dzięki wydostawaniu się paliwa z palnika,
- brak
osprzętu elektrycznego (zwłaszcza układu zapłonu, np. iskrowego), emitującego
promieniowanie elektromagnetyczne, zakłócające odbiór radiowy lub umożliwiające wykrycie
miejsca pracy silnika (co jest ważne np. w wojsku)
- niewrażliwość na warunki pracy (np. silne zapylenie powietrza, opady atmosferyczne i
zawilgocenie, zmienność temperatur otoczenia itp.),
- duża swoboda kształtowania konstrukcji silnika.
Pierwszy patent na silnik zewnętrznego spalania uzyskał w roku 1816 szkocki duchowny Robert
Stirling, który w późniejszych latach zaprojektował i wypróbował kilka różnych modeli takich
silników. Głównym dążeniem Stirlinga było opracowanie bezpiecznych silników, równie
przydatnych jak rozpowszechniające się wówczas maszyny parowe (traktowane wtedy jako
ciągłe zagrożenie otoczenia ze względu na szczególne częste eksplozje kotłów parowych).
Silniki zewnętrznego spalania skonstruowane przez Stirlinga i jego naśladowców, określane jako
silniki STIRLING, w porównaniu z maszynami parowymi odznaczały się istotnymi zaletami, jak:
-
wykorzystywanie powietrza jako czynnika roboczego,
-
łatwość utrzymywania szczelności chłodnego tłoka roboczego (intensywnie
chłodzonego),
- dopuszczalne
luźne pasowanie gorącego tłoka pompującego (silnie nagrzewanego),
brak elementów rozrządu (jak zawory, suwaki, kanały itp.)
Silnik Stirlinga posiada dwa tłoki: roboczy oraz pompujący (zwany również wypornym),
przemieszczające się we wspólnym cylindrze z regeneratorem ciepła. Tłoki poruszane są
współosiowymi korbowodami. Wewnątrz cylindra, między tłokami, jest niezmienna ilość gazu
(wodór, hel lub powietrze) o średnim ciśnieniu 3 MPa.
Przez długi okres czasu silniki STIRLING wykorzystywano tylko w bardzo ograniczonych i
raczej szczególnych zakresach zastosowania - np. w stacjach pomp wody lub do napędu
wentylatorów w kopalniach.
Badania rozwojowe silników STIRLING podjęły w roku 1937 zakłady Philips (Eindhoven), lecz
prace te przerwano wskutek wybuchu wojny i wznowiono dopiero po jej zakończeniu. Pierwsze
współczesne silniki STIRLING, zastosowane w zespołach prądotwórczych, wyprodukowano w
roku 1948.
Program dalszych badań gruntownie zrewidowano w roku 1954, przy czym ukierunkowano je na
wykorzystywanie wodoru lub helu - zamiast powietrza, jako czynnika roboczego. Wówczas
bowiem dysponowano już, opracowanym dopiero w roku 1953, rombowym mechanizmem
korbowym, którego swoiste własności umożliwiają konstruowanie całkowicie
wyrównoważonego silnika STIRLING o tłokach współosiowych, które praktycznie w ogóle nie
wywierają bocznych nacisków na ścianki cylindra.
Silniki STIRLING, produkowane od niedawna seryjnie przez kilka wytwórni (m.in. w USA). Są
stosowane głównie jako silniki różnych agregatów prądotwórczych, przystosowane do zasilania
dowolnym, dostępnym paliwem - dziś coraz częściej w sprzężeniu ze spalaniem odpadów i
biomasy, osiągające 3000 obr. na minutę przy 40-procentowej sprawności.
Zainteresowanie silnikami STIRLING szybko wzrasta i można oczekiwać w niedalekiej
przyszłości zastosowania ich w różnych zakresach, m.in. w pojazdach samochodowych.
Prototypy pojazdów z silnikami STIRLING wykazały już duże walory eksploatacyjne, m.in.
znikomą zawartość toksycznych składników w spalinach oraz możliwość wykorzystywania
najtańszych gatunków paliw ciekłych i stałych.
Cechą charakterystyczną obiegu czynnika roboczego (gazu) w silniku Stirlinga jest izotermiczne
doprowadzanie ciepła ze spalin przez ściankę cylindra, dzięki czemu gaz roboczy się rozpręża i
wykonuje pracę użyteczną. Potem następuje izotermiczne odprowadzenie do otoczenia
niewykorzystanego ciepła od schłodzonego czynnika roboczego, ulegającemu sprężaniu.
Opis pracy silnika STIRLINGA wg rys. 4: Położenie górnego, wyporowego tłoka nie ma
wpływu na zmianę objętości czynnika roboczego, wypełniającego układ, a zadaniem tego tłoka
jest przepychanie czynnika (gazu) z górnej, gorącej części silnika, przez regenerator i chłodnicę
do dolnej części zimnej, a następnie przepychanie w kierunku odwrotnym.
W górnej, gorącej części silnika znajduje się komora spalania (może być również zasilana
gorącymi spalinami z zewnątrz), w której jest wywiązywane i dostarczane ciepło. Gdy tłok
wyporowy porusza się ku dołowi, zasysa przez grzejnicę czynnik roboczy (gaz), który przez
ścianki powierzchni ogrzewalnej pobiera ciepło q. Odbywa się to przy równoczesnym ruchu do
dołu tłoka roboczego, napędzającego układ korbowy, a ten elektrogenerator.
Gdy tłok roboczy dochodzi w położenie dolnego zwrotu przez martwy punkt, tłok wyporowy
zaczyna ruch do góry i przepycha czynnik roboczy przez regenerator, który magazynuje ciepło
qr.
Podczas dalszego ruchu tłoka wyporowego ku górze, czynnik roboczy (gaz) przepływa przez
chłodnicę, oddaje tu ciepło qo, czemu towarzyszy sprężający ruch tłoka roboczego ku
regeneratorowi.
Teraz czynnik roboczy (gaz) zostaje przepchnięty dzięki ruchowi tłoka wyporowego ku dołowi
przez regenerator do gorącej części silnika i podczas tej przemiany odzyskuje zmagazynowane
uprzednio ciepło qr w regeneratorze. Dalej przepływa przez grzejnicę, w której pobiera
izotermicznie ciepło q i obieg się powtarza.
Czynnikiem roboczym jest tu hel lub wodór, ale może być też powietrze. Wodór najefektywniej
oddaje, a potem przejmuje ciepło w regeneratorze. Potem hel, a najsłabiej powietrze. Między
skrzynią korbową, a wnętrzem tłoka roboczego jest przestrzeń wypełniona czynnikiem roboczym
o ciśnieniu średnim obiegu, którego rola w tym miejscu polega między innymi na buforowym
obciążeniu układu korbowego.
W małych miejscowościach, zwłaszcza na wsiach, niewielkie elektrociepłownie, opalane
biomasą - z silnikiem Stirlinga, sprzężonym z elektrogeneratorem, będą już za kilka lat stanowić
znaczną pozycję w uefektywnianiu również polskiego rolnictwa. To, co już wdraża się w krajach
Unii Europejskiej - ze względów konkurencyjności - nie ominie i naszego kraju, a im później
podejmie się u nas utylizację biomasy oraz uprawę wierzby norweskiej na terenach
powodziowych, tym trudniejszy będzie byt naszych rolników.